虚拟演播室技术在教学视频资源建设中的应用研究

李 伟

（中国人民解放军海军航空兵学院信息管理中心，辽宁 葫芦岛 125001）

1 虚拟演播室技术概述

虚拟演播室技术是新兴的融合了计算机虚拟现实与传统演播室色键抠像以及多媒体、三维和网络技术的综合媒体技术。通过虚拟演播室技术，计算机制作的三维虚拟场景与摄像机拍摄的人物活动图像进行数字化实时合成，使人物与虚拟背景能够同时变化，实现两者紧密融合。

不同的虚拟演播室对软件的要求不尽相同，但其核心部分却大同小异，主要由摄像机、摄像机跟踪系统、计算机图形工作站、色键合成器4个部分组成。摄像机主要用于摄取蓝色幕布前真实的人或物。摄像机跟踪系统主要用于获取摄像机在演播室中的实际位置参数和动作参数。计算机图形工作站主要用于生成实时虚拟场景。色键合成器主要用于将摄像机前景和计算机虚拟场景合成一个场景。

2 虚拟演播室技术的发展现状

摄像机跟踪、三维场景生成、色键是虚拟演播室系统中三项关键技术，它们决定了虚拟演播室的质量和性能。随着计算机、通信、三维仿真等技术的迅猛发展，虚拟演播室系统的各项关键技术也在不断成熟完善。

2.1 摄像机跟踪技术

摄像机跟踪技术是虚拟演播室中的一项关键技术，它通过判断摄像机、演员或节目主持人、计算机虚拟场景之间的相对位置关系，帮助系统实现真实摄像机与虚拟摄像机的锁定。主要跟踪方式有机械传感跟踪、超声波跟踪、红外线跟踪、图形识别跟踪等。

2.2 计算机虚拟场景生成技术

有别于普通的电视节目后期制作和三维动画技术，虚拟演播室技术更加强调制作的现场感和可扩充的实时性。用计算机建立三维场景几乎不受现实的限制。在虚拟场景中，主持人可以来回走动，场景中的虚拟物体可以实时地移动和处理，电视窗口能显示外部视频源送来的视频信号。

2.3 色键技术

目前，在传统的抠像技术基础上增加了深度键，主要有“象素级”深度键和“分层级”深度键。“象素级”深度键技术相对于“分层级”深度键技术，它使构成虚拟场景的每一个象素都有了相应的Z轴深度值，虚拟物体、真实物体及表演者在节目中可以动态地相互遮挡，从而增加了虚拟场景的真实感。

2.4 辅助摄像机技术

辅助摄像机技术以图形识别技术为基础，是一种专用的小型摄像机。通过对格子图案的视频图像信号进行分析，就可得到演播室摄像机的各种运动参数，实现极端推进、宽角度拍摄、室外操作及非蓝演播室应用等，使演播室摄像机的拍摄不受任何限制。

2.5 灯光技术

在虚拟演播室中，所有光色必须保证蓝色空间场地基色，以适应色键器抠像的技术要求。一方面，要使地面、墙面光线尽量均匀、无阴影；另一方面，要注意现场灯光与虚拟系统产生的场景光效之间的协调，以增强真实感。

2.6 “垃圾色块”技术

或称为“填补彩底”技术，使用这一技术后，摄像机拍摄到的非蓝区域可自动由“垃圾色块”来填补，使演播的范围大大超出了演播室的蓝色背景范围，避免出现“穿帮”现象，具有“背景保护功能”。

其它新技术如虚拟阴影及反射技术可进一步增强场景的真实感；虚拟散焦功能可模仿几何光学的原理，增强场景的纵深感。新的数字视频处理器可完成高达每秒30亿次的操作，从而建立逼真的3D环境。

3 虚拟演播室技术在教学视频资源建设中的应用

虚拟演播室是一种全新的电视节目制作工具，近年来展示出了广泛的应用前景。针对部分教育工作者在实际教学过程中提出的三个比较难以实现的教学过程，通过利用虚拟演播室技术得到了解决，达到了良好的教学效果。

3.1 虚拟演播室技术在“实物”讲解视频教学中的应用

在发动机原理与构造等实物讲解课程教学过程中，教师在讲解发动机的工作原理时存在课难讲、课件难做、内容难理解等问题。为解决此类在教学中比较常用但制作讲解相对困难的问题，针对课程的特殊需要，我们通过制作发动机三维模型，利用三维场景生成技术展示发动机整体及各部组件，配合教员的讲解和动作，实时播放发动机三维动画，利用色键技术开辟实时显示窗口，展示每个组件的细部特征、工作时的状态及各组件协同工作时的画面，使学员通过场景的逼真创设，教员的生动讲解，动画的形象展示理解发动机的工作原理，同时要将教师的讲解过程实时录制成720×576（4：3）分辨率的avi文件，采用H.264编码封装MP4格式文件供学生下载学习。通过此种方法，极大地提高了课堂授课质量和学生的学习积极性，解决了此类课程课堂教学效果不佳的问题。

3.2 虚拟演播室技术在“现场”互动视频教学中的应用

在国际关系等政治理论网络课程制作中，针对学生在学习中提出的常见问题，易混淆的概念等情况，我们除了在课程的讨论交流区予以解答外，还设计制作了互动视频教学模块实时解答学生提出的问题。要实现这种教学方式，在平时需要准备好交流场所，组织好参加人员到场，调试好至少两台摄像机，还需要将录制完成的多个视频文件导入编辑机中进行剪辑合成等多个环节才能完成。为解决此类在教学中比较实用的课堂教学方式，我们充分利用虚拟演播室技术，考虑到演播室空间有限，教师和学生不可能同时在演播室中面对面的实时互动交流，通过校园网，利用虚拟演播室的色键技术、跟踪技术将其他教室中教师的实况视频与本地演播室中学生的场景视频实时地结合在一个虚拟场景中，设置展示窗口，教师、学生可以在虚拟场景中面对面地相互交谈、演示。这种虚拟的出席方式并不需要教师或学生亲身来到本地演播室参加节目的录制，将此种方法进一步加以拓展，我们实现了教师远程论文辅导、远程教学等任务，增强了现场感、参与感。同时要将教师的讲解过程实时录制成1280×720（16：9）分辨率的avi文件，采用H.264编码封装MP4格式文件供学生下载学习。通过此种方法，不仅能够节省时间及费用，更大大减少了旅途劳累，提高了制作效率，解决了此类教学的实际需要，获得了较好的教学效果。

3.3 虚拟演播室技术在“实操”训练视频教学中的应用

在消防知识等课程教学过程中，开设了实操教学单元，要求学生亲自动手协同配合展开实际操作。但在实际实施过程中，由于场所和经费有限，不可能实际建设所有需要的实操教学训练场地及场景。为解决学生实操训练需求，提高教学训练效率，我们充分利用虚拟演播室的三维场景生成技术，通过制作三维仿真模型等模拟实战化过程中的飞机、舰艇、导弹等，利用抠像技术在蓝箱营造烟雾、雷电、有毒环境等，虚拟出实操场景，学生则各自扮演相对应的角色，在虚拟演播室中进行模拟实操教学训练，同时将整个过程实时录制成高清1440×1080分辨率的avi文件，采用H.264编码封装MP4格式文件供学生下载学习。广大学生通过反复观看录制视频，预先熟悉实操教学训练的组织实施过程，掌握动作要领、操作程序。通过此种方法，较好解决了个别实操教学难以组织实施，现场感不强的问题，为学生下一步进行实操训练打下了坚实基础。

在实际应用过程中，要把握好教学设计、虚拟场景制作、组织实施等关键环节，同时，也要把握住不是所有的视频教学内容都需要通过虚拟演播室来制作，也不是所有的教学内容都可通过虚拟演播室技术来实现。

综上，我们简要介绍了虚拟演播室技术及发展现状，重点论述了其在教学视频资源建设中的应用。随着数字视频技术、计算机技术、通信技术等相关技术的更新换代，虚拟演播室技术将不断得到发展和完善。我们要掌握并在实际教学中正确运用虚拟演播室技术，不断解决制约课堂教学授课质量的一些瓶颈性问题，制作出越来越多的精彩视频资源服务于教学，为提高教育教学质量和效益，推动教学方法改革和教学模式创新发挥积极作用。

[1]杨殿伟.虚拟演播室的发展与应用[J].中小学电教,2010,4:71-73.

[2]乔宇,等.虚拟演播室技术[J].重庆大学报,2003,1:38-41.

[3]付建清.虚拟演播室技术及其在电视教材制作中的应用[J].吉林省教育学院学报,2011(07):22-23.

[4]郑翔.虚拟演播室技术及其在广播电视领域的应用研究[J].有线电视技术,2011(6).

[5]邓伟.基于虚拟演播室的高职实训教学的实践与思考[J].宁德师专学报:自然科学版,2008(5).

[6]赵旭.人体运动的视觉重建与识别[D].上海:上海交通大学,2012.

[7]刘海华,程志君,谌先敢,等.基于注意机制的仿生人体动作识别[J].中南民族大学学报:自然科学版,2012,31(2):64-70.